浅层高分辨地震勘探在采空区勘测中的应用_陈相府

煤矿采空区探测方法探究摘要：煤矿是一种十分重要的资源，而煤矿在长时间的开采之后就会出现采空现象，这个人们的生命财产安全带来一定的影响，并造成煤矿企业经济效益的损失。

针对煤矿采空区的测探，本文将对简要说明目前煤矿采空区中比较常用的几种探测方法，并介绍其主要原理以及技术特征，主要方法包含高密度电阻率法、氡气探测法、地震勘测法以及综合探测法等。

关键词：煤矿采空区探测方法我国是煤炭大国，开采出很多的煤炭资源，而在煤矿山开采的过程中，同时也出现了很多的采空区，由于未对采空区进行及时的处理，而出现采空区地面的塌陷，或者是出现地面开裂的现象，存在很多的安全隐患，为人们的生命安全、煤矿山的安全生产以及企业的经济效益带来一定的威胁。

要对这些采空区进行有效的整治，就必须对其位置、稳定性以及边界等进行调查研究。

目前对于煤矿区采空区的探测方法比较常见的有高密度电阻率法、氡气探测法、地震勘测法以及综合探测法等，笔者以下将对这些方法进行说明。

1 高密度电阻率法所谓的高密度电阻率法指的就是在测线上排列大量的电极，并控制其电极的自动转化器，从而达到电阻率内各个不同极距与不同装置的自动合成，以便在一次的布极中就能实现处于多个极距与多个装置的条件下对多种电阻率进行参数测定的办法[1]。

可以通过相关的程序处理以及自动反演成像等对所的参数进行处理，就能够准确、高效的得出所探测区域电断面的地质解释图片，进而使电阻率法的工作效率以及效果得到有效的提升。

在一定条件下，该种方法能够有效的对煤矿老硐、工程物探以及古墓墓穴等进行探测。

高密度电阻率法所采取的仪器设备是高密度电法测量系统。

高密度电阻率法和常规电阻率法相对比，具有三点优势：第一，一次性就达成电极的布置，这不但能够有效的避免由于电极设置所造成的干扰与故障，还能提升设备的工作效率；第二，测量时排列的方法有很多种，能够获取大量关于地电断面的数据资料；第三，该种方法为半自动化或者是自动化的野外数据采集，使得数据的采集速度得到明显的提升，同时也预防由于手工而造成的误差。

高分辨率地震勘探综述摘要高分辨率是地震勘探的一个重要研究方向，涉及地震数据采集、处理和解释等各个方面。

在回顾高分辨率地震勘探发展历程及存在问题的基础上，重点阐述了高分辨率的评价机制，并对近年来发展的高分辨率方法原理及应用实例进行了详细介绍。

高分辨率是一个系统工程，实际生产中的各个环节都有可能对分辨率造成影响，因此，高分辨率不仅仅局限于某个单独的技术，需要同时发展采集、处理和解释各方面的技术，尤其是借鉴交叉学科的新方法。

关键词：采集；处理；解释；高分辨率；评价机制1 概述1.1 高分辨率勘探的目的及技术发展历程地震勘探是一种应用地震波在地下介质中的传播来对地下地质构造和岩性进行测量的技术，经过近一个世纪的发展，该方法已经成为最有成效的油气勘探物探方法。

纵观地震勘探的发展历程，高分辨率一直是科研、生产的重点和难点。

诚然，高分辨率地震勘探是一个系统工程，从地震资料采集、处理到解释，每一个环节都对分辨率有着重要的影响。

虽然采集、处理和解释分属不同的环节，考量高分辨率的角度也有所不同，但三者是有机联系的。

首先，野外地震数据的采集质量直接关系着地震勘探的成败，只有在采集质量得到保证的前提下，处理技术（诸如静校正、拓频和压噪技术等）才有发挥的空间，而地震处理得到的剖面又是解释的基础，解释成果则是高分辨率地震勘探的最终目标，三者环环相扣，紧密联系；其次，采集、处理和解释的方法也是相互影响和促进的，例如，采集观测方式的改变有可能对处理方法或参数提出新的要求（如可控震源采集对处理提出了谐波压制的要求等），解释方法的突破也有可能对处理提出新的标准（如A VO解释技术要求处理方法具有高保真度等）。

在阐述高分辨率地震勘探之前，有必要先介绍一下分辨率的概念及主要影响因素。

地震勘探分辨率是基于地震测量技术对地下构造进行空间测量的精度描述，在反射波地震勘探中可以概括如下：可分辨的最小地质体的厚度或最窄地质体的宽度，前者称为垂（纵）向分辨率，后者称为横向分辨率[1-2]。

光纤Bragg 光栅地震检波器是利用光栅的波长调制原理,即利用外界的微扰振动来改变光栅的栅距,再转化为对应的波长变化量,通过检测波长的变化来测量加速度的大小. 由图(2) 可以看出,该检波器的结构是将光纤布拉格光栅固定在弹簧片上构成的. 当地面振动时,固定于地面的检波器随之运动,检波器中的光栅与检波器外壳产生相对运动,在光电接收器件的接收面上产生运动的莫尔条纹,经处理后,以数字信号形式输出[9～13 ] .研究表明,光纤Bragg 光栅以其特有的特性(高灵敏度和大动态范围,较强的抗干扰能力和具有一定的智能作用,与大地耦合作用好,谐波失真小等) 比压电检波器(此种检波器是根据某些物质的压电效应制成的. 当沿一定方向对某些电介质施力而使其变形时,介质内部就产生极化现象.压电检波器正是利用这种压电效应,将地震波引起的压电效应转变为电信号的一种机电转换装置. ) 不仅具有高的灵敏度系数,并且动态范围也足以实现地震勘探领域的不同频率段的需求,在地质石油勘探领域具有广阔的应用前景. [17～29 ]5 结论地震检波器是地震勘探中的重要环节,地震采集数据的品质基本上取决于检波器本身的品质,埋置环境与记录数据系统的性能. 目前,数据采集的动态范围已经达到了120 dB ,所以检波器本身的动态范围越来越成为地球物理勘探技术中的首要技术要求[30～40 ] .光纤布拉格光栅以其高分辨力,高信噪比,高精确度,高可靠性,为振动的测量提供了理想的技术手段. 利用光纤布拉格光栅作为检波器的敏感元件,可具有动态范围宽,抗电磁干扰,信号频带宽等特点,易于满足高精度,高分辨率的地震勘探要求. 光纤Bragg 光栅地震检波器在地震石油勘探领域,桥梁结构健康检测领域和海洋开发领域等具有广泛的应用价值,是值得研究并推广的一项新技术.[ 1 ] 陶果,多雪峰. 我国地球物理测井技术的发展与战略初探[J ] .地球物理学进,2001 ,16 (3) :98～101.[ 2 ] 阮驰,崔崧,高应俊. 光纤Bragg 光栅与石油仪器[ J ] . 石油仪器,2001 ,15 (6) :1～4.[ 3 ] 陆文凯,丁文龙,张善文,肖焕钦,赵铭海. 基于信号子空间分解的三维地震资料高分辨率处理方法[J ] . 地球物理学报,2005 ,48 (4) :896～901.[ 4 ] 陈祖传. 地球物理勘探技术的进展[ J ] . 地球物物理学进展,2000 ,10 (3) :1～19.[5 ] 张向林,郭果,刘新茹. 油气地球物理勘探技术进展[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (1) :143～151.[ 6 ] Kersey A D. Fiber grating sensors [ J ] . Lightwave Technol ,1997 ,15 (8) :1442～1463.[ 7 ] Hill K O , Meltz G. Fiber Bragg Grating Technology Funda2mentals andOverviews[J ] . Journal of Lighwave Tet hnology ,1997 ,15 :1263～1274.[ 8 ] 苑立波. 光纤光栅原理和应用[J ] . 光通信技术,1998 ,22 (1) :70～72.[9 ] 梁磊,周雪芳. 新型光纤Bragg 光栅地震检波器的研究[J ] . 承德石油高等专科学校学报,2003 ,5 (1) :4～7.[ 10 ] 高华,李淑清,南忠良,陶知非,蒋诚志. 光栅地震检波器的研究[J ] . 航空精密制造技术,2003 ,39 (1) :40～42.[ 11 ] 王红落,常旭,陈传仁. 基于波动方程有限差分算法的接收函数正演与偏移[J ] . 地球物理学报,2005 ,48 (2) :415～422.[ 12 ] 袁子龙,韦丹宁,李婷婷. 高分辨率地震勘探智能程控型前置放大器的设计[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (1) :300～303.[ 13 ] 姚陈. 地震三维矢量反射波场[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21(2) :430～439 . [ 14 ] 于常青,祁晓明,朴永红,于文芹. 联合高分辨率地震和精细测井资料的剩余油气分析[ J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (2) :张向林,陶果. 油气井生产测井中的光纤传感技术[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20(3) :796～800.[16 ] 周振安,刘爱英. 光纤光栅传感器用于高精度应变测量研究[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (3) :864～866.[ 17 ] 陈海峰,肖立志,张元中,付建伟,赵小亮. 光纤Bragg 光栅在油气工业中的若干应用及进展[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21(2) :572～577.[ 18 ] 陈相府,安西峰,王高伟. 浅层高分辨地震勘探在采空区勘测中的应用[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (2) :437～439.[ 19 ] 徐朝繁,张先康,刘宝金,等. 高分辨折射地震资料处理方法及其应用[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (4) :1052～1058.[ 20 ] 张军华,吕宁,田连玉,陆文志,钟磊. 地震资料去噪方法、技术综合评述[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (4) :1083～1091.[ 21 ] 崔若飞,武旭仁,陈同俊. 煤矿地震数据管理系统的开发[J ] .地球物理学进,2005 ,20 (2) :374～376.[22 ] 周灿灿,王昌学. 水平井测井解释技术综述[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 1) :152～160.[ 23 ] 石建新,王延光,毕丽飞,等. 多分量地震资料处理解释技术研究[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (2) :505～511.[ 24 ] 于景邨,刘志新,岳建华,刘树才. 煤矿深部开采中的地球物理技术现状及展望[ J ] .地球物理学进展,2007 ,22 ( 2) : 586 ～591.[ 25 ] 彭富清,霍立业. 海洋地球物理导航[ J ] . 地球物理学进[ 26 ] 孟庆生,楚贤峰,郭秀军,樊玉清,贾永刚. 高分辨率数据处理技术在近海工程地震勘探中的应用[ J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (3) :1006～1010.[27 ] 杨文采,于常青. 深层油气地球物理勘探基础研究[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1238～1242.[ 28 ] 金翔龙. 海洋地球物理研究与海底探测声学技术的发展[J ] .地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1243～1249.[29 ] 张向林,刘新茹,李健,卢涛. 我国油气开发监测技术进展[J ] .地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1360～1363.[ 30 ] 李淑清,陶知非. 未来地震检波器理论分析[ J ] . 物探装备,2003 ,13 (3) :152～156.[ 31 ] 刘光林,刘泰生,高中录,李刚,姚光凯. 地震检波器的发展方向[J ] . 勘探地球物理进展,2003 ,26 (3) :178～185.[ 32 ] 柏冠军,吴汉宁,赵希刚,王靖华. 地震资料预测薄层厚度方法研究与应用[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (2) :554～558.[33 ] 张进铎. 地震解释技术现状及发展趋势[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (2) :578～587.[34 ] 原宏壮,陆大卫,张辛耘,孙建孟. 测井技术新进展综述[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (3) :786～795.[ 35 ] 冷元宝,朱萍玉,周杨,王送来. 基于分布式光纤传感的堤坝安全监测技术及展望[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (3) :1001～1005.[ 36 ] 陈会忠. 地震信息系统发展综述[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1142～1146. [ 37 ] 池顺良. 深井宽频钻孔应变地震仪与高频地震学———地震预测观测技术的发展方向,实现地震预报的希望[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1164～1170.[38 ] 陆其鹄,彭克中,易碧金. 我国地球物理仪器的发展[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1332～1337.[ 39 ] 赖晓玲,刁桂苓,孙译. 用近场余震观测资料研究张北地震的发震构造[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (1) :63～67.[ 40 ] 张福明,查明,邵才瑞,印兴耀. 天然气的测井勘探与评价技术[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (1) :179～185.。

采空区勘查新技术及应用采空区危害巨大，但是目前常用的物探方法都难于准确探测。

以非均匀地质模型为基础的SSP地震散射技术作为一种新的地震勘探方法，通过波场分离、速度分析、偏移成像技术，可获取地层波速与地质界面信息，依据低速区分布与界面形态综合判定采空区，提高了采空区勘探的准确度。

该方法还具有分辨率高、准确性好、探测深度大和图像直观等特点，适合复杂地形、地质条件的采空区勘探，并在大量应用中取得了令人满意的结果。

1采空区探测技术及发展采空区对采矿安全、交通、水利水电设施、地面建筑等构成严重威胁，目前己经成为我国隐蔽致灾的主要原因之一。

我国采空区数量巨大，并且仍在快速地增加，然而矿区的地形、地质条件往往非常复杂，再加上采空区地表变形与地面塌陷影响，使采空区勘查变得十分困难。

目前虽然有一些物探方法可用，但应用效果并不理想。

目前探测采空区使用的物探方法主要有反射地震方法和电磁方法,这两种方法都存在一定局限性。

反射地震方法基于分层均匀的地质模型⑴，层状地质结构条件下勘探效果好，但对于采空区这样的纵、横向地质条件均剧烈变化的地质体，层状模型不再适用，反射地震方法勘探效果不突出。

采用电磁方法（包括CSAMT、瞬变电磁、高密度电法、电导率等方法）勘探，对于含水低阻采空区，其勘探效果较好；若采空区不含水，则采空区表现为高阻，与高阻围岩难以区分，探测效果欠佳。

由此可见，上述两种方法都有局限性，有必要发展采空区探测新技术。

地震散射技术是以非均匀地质模型为基础的地震勘探新技术。

地震散射分前向散射与背向散射,前向散射研究非均匀地质条件对地震透射波的影响,它是地球深部构造探测的基础；背向散射是研究非均匀地质体的地震散射回波特性，是地震散射勘探技术的基础。

对前向散射的研究开始较早，始于上世纪70年代，Aki 等（1976）研究天然地震波通过地球深部构造区的走时与衰减特性，建立了利用天然地震波走时反演深部构造的地震方法。

在国际地壳与上地幔计划、地球动力学计划和岩石圈计划的推动下，全球范围内掀起了利用天然地震资料研究地球深部构造的热潮⑵。

地震勘探方法在探测煤矿采空区中的应用研究摘要:近来,随着开采深度和开采范围的扩大,地质构造趋于复杂,尤其是大量老窑采空区的存在,直接影响煤矿的安全生产,成为严重危害煤炭采掘的地质因素。

及早发现圈定采空区的存在范围,采取相应的应对措施,不仅保证了煤炭安全生产,煤矿的效率将得到大幅度提高。

本文介绍的利用地面三维地震勘探资料,圈定采空区等地质异常体的分布范围,为煤矿生产提供地质资料,减小地质因素的生产隐患,将产生重要的意义。

关键词:采空区三维地震时间剖面反射波异常相干体1 煤层采空区的地质特征煤层赋存于成层分布的煤系地层中。

煤层被开采后形成采空区,破坏了原有的地应力平衡,采区周围岩体的原始应力失去原来的平衡状态,应力将重新调整直至达到新的平衡,从而致使岩体发生移动。

这类运动极其复杂,视具体条件不同而不同,具有显著的个性与随机性。

采空区上覆岩层的变化形式是极其复杂的。

当开采面积较小,且煤层顶板为塑型岩性并保存完整时,同时由于残留煤柱较多,应力转移到煤柱上,未引起地层变动,采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来。

但多数采空区在重力和地层应力作用下,顶板塌陷、冒落,由此形成了塌落带、裂隙带和弯曲下沉带。

采空区上覆岩层的变化形式大体可归结为以下几种。

(1)采空区上方岩石的垮落煤层采出后,其上方岩石在重力的作用下,所受应力超过岩石强度极限而破裂、垮落。

(2)上覆岩层的裂隙岩层的连续性未受破坏,不发生垮落,而是产生裂缝、裂隙。

(3)上覆岩层的弯曲岩石不发生破裂,而是在自重作用下产生法向弯曲。

这部分岩层将保持其整体性,其移动过程连续而有规律。

当采空区范围较小而采深较大时,采空区上覆岩体的移动可能不波及地表。

而当采空区范围较大而采深较小时,其上覆岩体的移动就会波及到地表,并引起地表下沉,下沉所涉及的整个范围称之为下沉盆地,在矿区称为塌陷区。

当开采空间跨度足够大,即使完整坚硬的顶板,也会因受力强度超过极限而垮塌、冒落实际上,由于大多数岩体都含有各类地质弱面,将岩体切割成一系列弱联接的嵌合体或各式各样的组合体,这种岩块体在围岩应力与自重共同作用下保持平衡。